Основные свойства древесины (Циунчик А.В.)

СОДЕРЖАНИЕ
Общие положения
1. Структура лабораторной работы…………………………...
2. Теоретическая часть………………………………………..
3
4
Лабораторная работа №1
Изучение внешних признаков древесины…………………..
Лабораторная работа №2
Определение годовых слоев и содержания поздней древесины…………………………………………………………….
Лабораторная работа №3
Определение физических свойств древесины……………….
1. Определение влажности……………………………………
2. Определение линейной усушки……………………………
3. Определение объемной усушки……………………………
4. Определение средней плотности древесины……………
Лабораторная работа №4
Механические свойства древесины…………………………
1. Определение предела прочности при сжатии вдоль волокон………………………………………………………………
2. Определение предела прочности при сжатии поперек
волокон…………………………………………………………
3. Определение прочности при местном сжатии……………
4. Определение предела прочности при статическом изгибе………………………………………………………………..
5. Определение предела прочности при скалывании вдоль
волокон…………………………………………………………
Контрольные вопросы……………………………………….
Список литературы………………………………………….
3
6
9
12
13
17
21
23
26
27
30
35
39
42
46
48
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты,
изучившие содержание работы по соответствующим методическим указаниям и представившие конспект отчета по работе с
необходимыми лабораторными журналами. Конспект отчета составляется в соответствии со структурой лабораторной работы.
1. СТРУКТУРА ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1.1. Наименование темы лабораторной работы. Оно должно
выделяться из основного текста.
1.2. Цель лабораторной работы – это наименование определяемого свойства; метод, используемый в работе; оценка правильности полученных результатов.
1.3. Теоретическая часть. Приводятся основные определения
изучаемых в данной работе свойств строительных материалов,
вывод расчетных формул, единицы размерности определяемых
констант.
1.4. Материалы и оборудование, реактивы.
1.5. Методика выполнения работы.
Ход работы излагается в достаточно краткой форме с указанием последовательности выполнения операций.
1.6. В работе должны содержаться рисунки, схемы и графики, приведенные в данных методических указаниях.
1.7. Лабораторный журнал.
В него вносятся все опытные данные и полученные на их основании расчетные величины. Лабораторный журнал составля4
ется таким образом, чтобы можно было осуществлять табличный
метод расчета.
1.8. Расчетная часть.
Расчетная часть присутствует в том случае, когда необходимо провести вспомогательные расчеты-пояснения, не вошедшие
в лабораторный журнал.
1.9. Заключение.
Делается вывод о правильности полученных результатов путем сравнения их со стандартными значениями определяемых в
лабораторной работе констант, которые приведены в специальной литературе или указанных в ГОСТе.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Строительные материалы из древесины обладают высокой
прочностью и упругостью при небольшой плотности, имеют высокие теплофизические свойства (низкую теплопроводность,
теплоемкость), легко поддаются механической обработке. Наряду с этим материалы из древесины имеют существенные недостатки: анизотропию свойств (их свойства неодинаковы вдоль и поперек волокон); способность поглощать воду в жидком (водопоглощение) и парообразном состоянии (гигроскопичность), набухая при
этом и давая усадку при высыхании; в неблагоприятных условиях
эксплуатации подвержены гниению, легко воспламеняются.
Качество древесины той или иной породы характеризуется
строением, наличием пороков, влажностью и физико-механическими свойствами.
5
Лабораторная работа №1
Изучение внешних признаков древесины
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Внешние признаки древесины подразделяют на основные и
вспомогательные.
Основные признаки – это особенности макроскопического
строения древесины: наличие и общий вид заболони и ядра, степень видимости годовых слоев и их очертания, различие между
ранней и поздней древесиной годовых колец, размер и видимость
сердцевинных лучей, размер, распределение и состояние сосудов,
величина и количество вертикальных смоляных ходов, сердцевинные повторения (заросшие ходы насекомых, которые встречаются преимущественно у лиственных пород).
К вспомогательным признакам относят цвет, текстуру,
блеск, запах, массу, ориентировочную прочность и твердость.
Краткая характеристика древесины главнейших
древесных пород
Сосна – ядровая порода. Годовые слои хорошо видны, заболонь широкая, смоляные ходы довольно крупные и многочисленные. Ядро желтоватого или буроватого цвета. Древесина мягкая, легкая, малоупругая, хорошо колется.
Ель – ядра нет, древесина белого цвета, мягкая, легкая; смоляные ходы менее заметны, чем у сосны.
Лиственница – ядровая порода. Резко выражена разница между ранней и поздней древесиной годовых слоев, заболонь
6
узкая, мелкие и немногочисленные смоляные ходы. Древесина
мелкослойная, плотная, тяжелая и твердая.
Дуб – кольцепоровая ядровая древесная порода, широкие
сердцевинные лучи, мелкие сосуды в поздней зоне образуют
радиальные группы-язычки, заболонь узкая и резко ограничена.
Древесина плотная, прочная, упругая, обладает значительной
усадкой при высыхании.
Ясень – порода ядровая, заболонь широкая и не резко ограничена, ядро светло-бурого цвета. Сердцевинные лучи очень
узкие, слаборазличимы, мелкие сосуды в поздней древесине годовых слоев образуют группы в виде точек и коротких черточек;
в широких годовых слоях у внешней границы мелкие сосуды
образуют короткие волнистые линии.
Вяз – порода ядровая, заболонь широкая, светло-бурого цвета,
не резко отделенная от ядра, сердцевинные лучи на радиальном
разрезе по цвету слабо отличаются от окружающей древесины.
Древесина тяжелая, прочная, упругая, средней твердости.
Береза – порода заболонная. Сердцевинные лучи видны
только на радиальном разрезе. Древесина белая с легким красноватым или буроватым оттенком, вязкая, прочная, склонна к
короблению при высыхании.
Осина – порода заболонная. Древесина белая, легкая, мягкая, хорошо колется; прочна в сухом состоянии, сердцевинные
лучи не видны.
7
Липа – древесина белая, легкая, мягкая, сердцевинные лучи
узкие и видны на поперечном и радиальных разрезах.
Граб – порода заболонная. Древесина белая, твердая, тяжелая и вязкая, трудно раскалывается. Годичные кольца располагаются в виде волнистых линий.
Цель работы: научиться по внешним признакам определять породу дерева.
Материалы: образцы древесины (рис. 1).
Приборы и приспособления: лупа 3-5 кратного увеличения.
Ход работы
1. Для этого испытания необходимо изготовить образцы с разрезами (длиной не менее 120 мм) в трех направлениях: торцовый или поперечный, пересекающий ствол плоскостью, перпендикулярной оси ствола; тангентальный – разрез по хорде поперечного сечения на некотором расстоянии от оси ствола; радиальный – по плоскости, проходящей через ось ствола по радиусу
или диаметру поперечного сечения. Каждая плоскость характеризуется определенным рисунком, образуемым годовыми слоями (рис. 1).
2.Пользуясь лупой 3–5-кратного увеличения, изучить исследуемые образцы.
3.Сделать вывод о принадлежности образцов к той или иной породе.
8
Рис.1. Лабораторные образцы древесины
а – цилиндрический в коре; б – цилиндрический с разрезами; в – призматический; 1 – поперечный (торцовый) разрез ствола;
2 – радиальный разрез ствола; 3 – тангентальный разрез ствола
ВЫВОД:
Лабораторная работа № 2
Определение годовых слоев и содержания поздней
древесины
Цель работы: определить число годовых слоев и процентное
содержание поздней древесины. Установить зависимость физикомеханических свойств древесины от этих показателей. Оценить
правильность полученных результатов.
Материалы: образцы древесины сосны и дуба.
Приборы и приспособления: линейка, карандаш, измерительная лупа.
Ход работы
1. Приготовить образец древесины размером не менее 10 см
в радиальном направлении (остальные размеры образца могут
быть больше).
9
2. На торцовой поверхности образца по радиальному направлению на протяжении 2 см отметить границы целых годовых
слоев.
3. Расстояние между отмеченными точками надо измерить с
точностью до 0,5 мм и подсчитать число годовых слоев на этом
участке.
4. Определить число годовых слоев в 1 см с точностью до половины годичного слоя по формуле
n
N
,
l
где N - общее число целых годовых слоев; l - расстояние
по радиальному направлению, на котором подсчитывали число
годовых слоев, в см.
5. В каждом годовом слое между отмеченными точками измерить ширину каждой поздней зоны аi измерительной лупой с точностью до 0,1 мм и суммировать значения Σаi.
6. Определить процент поздней древесины m с точностью до
1 % по формуле
m
аi
 100% ,
l
где Σai – суммарная ширина поздних зон на длине l в см;
l – общая протяженность тех годовых слоев, в которых измеряли, ширину поздней зоны, в см.
Для облегчения определения применяют косой срез по всему
сечению образца (рис. 2).
10
Рис. 2. Определение содержания поздней древесины
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЖУРНАЛЫ:
Число годовых слоев
на выделенном
участке N, шт
Общая протяженность годовых слоев рассматриваемого участка по
радиальному
направлению
l, см
Расстояние между
границами годовых
слоев l1, мм
№ опыта
Материал образца
ЧИСЛО ГОДОВЫХ СЛОЕВ
Число
годовых
слоев в
1см
n
N
,
l
ед/см
СОДЕРЖАНИЕ ПОЗДНЕЙ ДРЕВЕСИНЫ
Материал
образца
№ опыта
Ширина
поздней зоны в каждом
годовом слое
а i, мм
1
2
3
Суммарное
значение
ширины
поздней
зоны
аΣ, мм
аΣ=Σа i
11
Процент поздней древесины
m, %
m
а
100%
l
ПРОЧНОСТЬ НА СЖАТИЕ
Материал
образца
Процент
поздней древесины
m, %
Расчетная
формула
Прочность
на сжатие
Rсж12, МПа
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Зависимость прочности на сжатие от процентного содержания
поздней древесины выражается следующим образом:
для сосны
σ12 = 6 m + 30 МПа;
для дуба
σ 12 = 3,2 m + 29,45 МПа.
ВЫВОД:
Лабораторная работа № 3
Определение физических свойств древесины
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Физические свойства древесины определяют без нарушения
целостности испытываемого образца и изменения химического
состава, т. е. выявляют путем осмотра, взвешивания, измерения,
высушивания.
К физическим свойствам древесины относят: внешний вид и
запах, плотность, влажность и связанные с ней изменения –
усушку, разбухание, растрескивание и коробление. К физическим свойствам древесины относятся также ее электро-, звуко- и
теплопроводность.
12
Цель работы: ознакомиться с методами определения влажности, линейной усушки, объемной усушки, средней плотности
древесины. Научиться оценивать правильность полученных результатов.
1. Определение влажности
Метод №1. Определение влажности посредством
высушивания образца
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В растущем дереве вода может быть капиллярная, коллоиднопоглощенная, гигроскопическая и химически связанная. Главную
массу составляет капиллярная и гигроскопическая вода. При высыхании из древесины вначале выделяется капиллярная, затем
гигроскопическая вода. Влажность древесины, содержащей только
гигроскопическую, коллоидно-поглощенную, химически связанную воду, соответствует точке насыщения волокон, которая колеблется для различных древесных пород в пределах 25–30%. Влажность – существенный фактор, обусловливающий прочность,
плотность и другие свойства.
По степени влажности (в %) древесину делят на следующие группы:
Воздушно-сухая . . . 10 — 15;
Полусухая . . . 20 — 25;
Сырая . . . более 25.
Материалы: образцы древесины массой не менее 5 г.
13
Приборы и приспособления: стеклянный бюкс с крышкой;
электронные
весы; сушильный шкаф; эксикатор с безводным
хлористым кальцием или серной кислотой.
Ход работы
1.Взвесить стеклянный бюкс с крышкой
m с точностью
до
0,001 г.
2.Поместить в бюкс пробу, закрыть крышкой и снова взвесить
m1 с той же точностью.
3.Бюкс с открытой крышкой и пробкой поместить в сушильный
шкаф с температурой 100±5°С на 8–12 ч для высушивания до постоянной массы и после охлаждения в эксикаторе с безводным
хлористым кальцием или серной кислотой (концентрации не
менее 94%) снова взвесить m2. После этого поместить бюкс с навеской еще на 2 контрольных часа в сушильный шкаф при той же
температуре и, если масса не уменьшится, вычислить влажность
с точностью до 0,1% по формуле:
W
m1  m2
 100 %
m2  m
где m – масса бюкса в г;
m1 , m2 – масса бюкса с пробой соответственно до и после
высушивания в г.
14
масса бюкса с пробой
Масса бюкса m, г
№ опыта
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ
до
высушивания,
m1 , г
после
высушивания,
m2 , г
влажность
образца
m  m2
W 1
100 %
m2  m
ВЫВОД:
Метод №2. Определение влажности по диаграмме
Н.Н. Чулицкого
В случае, когда древесина длительное время находилась при
постоянных температуре и относительной влажности воздуха и
не увлажнялась атмосферными осадками, ее влажность (равновесную влажность) можно определить по диаграмме Н.Н. Чулицкого (рис. 3).
15
Рис. 3. Диаграмма Н. Н. Чулицкого для определения равновесной влажности древесины
Например, чтобы определить влажность древесины, хранящейся в помещении при температуре 20°С и относительной
влажности воздуха 60 %, по диаграмме устанавливают, около
какой наклонной линии вертикальная линия, соответствующая
температуре 20 °С, пересекается с горизонтальной линией, соответствующей влажности 70 %. Это пересечение происходит на
линии, соответствующей влажности древесины 13 %.
16
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ
образец
температура
в помещении
t, ˚С
относительная
влажность
воздуха,
%
влажность образца
древесины по
диаграмме Н.Н. Чулицкого
ВЫВОД:
2. Определение линейной усушки
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Линейная усушка – уменьшение линейных размеров, при высыхании древесины от 30% (точка насыщения волокон). Усушка
(усадка) может вызывать образование торцовых трещин
(рис.4.). Обратное явление – разбухание, т. е. увеличение размеров древесины и ее объема при увлажнении до 30 %.
Различное строение древесины вдоль и поперек волокон, в
тангентальном и радиальном направлениях, определяет и различное влияние влажности на величину усушки и разбухания.
Так, в среднем изменение размеров древесины составляет по
длине волокон 0,1 %, в радиальном направлении 3–6 % и тангентальном 6–12 % (рис.5.). Поскольку усушка вдоль волокон незначительна и не имеет практического значения, ее обычно не
определяют.
17
Рис. 4. Торцовые трещины
Рис. 5. Усушка в радиальном и тангентальном
направлениях: 1 и 2 – брусков; 3, 4, 5 – досок.
Материалы: образцы – призмы (рис.6) из испытуемой древесины размером 30х30х10 мм (3 шт.).
Приборы и приспособления: карандаш; микрометр; бюкс; сушильный шкаф; электронные весы; влагомер МГ-4.
18
Ход работы
1. На торце образца провести карандашом две взаимно
перпендикулярные линии, которые разделят торцовую поверхность на четыре квадрата. Дальнейшие измерения ведут
точно по этим направлениям.
Рис. 6. Образец для определения усушки древесины
2. Измерить при помощи микрометра с точностью до 0,01
мм размер b по тангентальному направлению и размер a по
радиальному направлению.
3. Высушить в сушильном шкафу образец в бюксе до постоянной массы и снова измерить размеры образца микрометром в тангентальном b 1 и в радиальном a1 направлениях.
4. Определить влажность образца с помощью влагомера.
5. Вычислить линейную усушку в процентах по тангентальному Yт и радиальному Yр направлениям с точностью до
0,1% по формулам:
YР 
а  а1
100
а1
и
19
YТ 
b  b1
100
b1
где а и b – размеры по радиальному и тангентальному
направлениям до высушивания в мм;
а1 и b1 – то же, после высушивания.
6. Вычислить коэффициент линейной усушки (линейная
усушка на 1% влажности образца) с точностью до 0,01 % по
формулам:
KТ 
YТ
W
KР 
и
YР
W
где Yт и YР – усушка в % по тангентальному и радиальному направлениям;
W – влажность образца в %.
Если влажность образца составит больше 30%, то в указанные формулы для вычисления коэффициента усушки вместо знаменателя подставляют число 30. Коэффициент усушки
в данном случае будет приближенным.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЖУРНАЛЫ:
ЛИНЕЙНАЯ УСУШКА
Линейная усушка, %
радиальное
направление a1
после
высушивания
тангентальное
направление b 1
радиальное
направление a
тангентальное
направление b
до
высушивания
№ опыта
№ образца
Размеры образца, мм
тангентальное
направление
YТ 
20
b  b1
100
b1
радиальное
направление
YР 
a  a1
 100
a1
Коэффициент линейной усушки
радиальное
направление Yр
Линейная
усушка, %
тангентальное
направление Yт
Влажность образца
в момент испытания W, %
№ опыта
Материал образца
КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОЙ УСУШКИ:
тангентальное
направление
Y
KТ  Т
W
радиальное
направление
Y
KР  Р
W
ВЫВОД:
3. Определение объемной усушки
Объемная усушка характеризует степень уменьшения объема древесины при ее высыхании и определяется параллельно
с определением средней плотности.
Материалы: образцы – призмы из испытуемой древесины размером 20х20х30 мм (3 шт.).
Приборы и приспособления: карандаш; микрометр; бюкс; сушильный шкаф; электронные весы.
Ход работы
1. Измерить размеры
каждого образца
микрометром
с
точностью до 0,01 мм и вычислить объем V с точностью до
0,001 см3.
21
2. Высушить образцы до постоянной массы в сушильном
шкафу при температуре 105–110˚С.
3. Вычислить объем образцов после высушивания V1.
4. Вычислить с точностью до 0,01% объемную усушку по
формуле:
Y0 
V  V1
 100 %
V1
и коэффициент усушки по формуле:
K0 
Y0
W
Указанная формула действительна для вычисления коэффициента объемной усушки, если влажность образца не превышает 30%.
Если влажность образца составит больше 30%, то в указанные формулы для вычисления коэффициента усушки вместо знаменателя подставляют число 30. Коэффициент усушки
в данном случае будет приближенным.
22
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ
ОБЪЕМНАЯ УСУШКА
Объем образца, см3
до высушивания
V 
высота h1
ширина b1
после
высушивания
длина a1
высота h
ширина b
до высушивания
длина a
№ опыта
Материал образца
Размеры образца, мм
a bh
1000
после высушивания
V1 
Объемная
усушка
Y0 
V  V1
 100
V1
a1  b1  h1
1000
КОЭФФИЦИЕНТ ОБЪЕМНОЙ УСУШКИ
Материал
образца
№
опыта
Влажность
образца
в момент
испытания
W, %
Объемная
усушка
Y0, %
Коэффициент объемной усушки
Y
K0  0
W
ВЫВОД:
4. Определение средней плотности древесины
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Одними из наиболее значащих свойств обуславливающих
качество древесины являются: истинная плотность вещества
древесины, которая примерно одинакова для разных пород и составляет 1,53–1,55 г/см3; средняя плотность, которая колеблется в широком интервале для различных пород, для одной породы разного возраста или при разном соотношении поздней и
ранней древесины. Кроме того, она зависит от влажности и пористости древесины.
23
Материалы: образцы из испытуемой древесины в форме бруска
размером 20х20х30 мм (3 шт.).
Приборы и приспособления: штангенциркуль; бюкс; сушильный шкаф; электронные весы.
Ход работы
1. Измерить штангенциркулем с точностью до 0,1 мм размеры поперечного сечения а и b и длину l с точностью до 0,5
мм в трех местах по длине образца. По полученным величинам вычислить среднеарифметическое для каждого размера.
2. Вычислить объем образца с точностью до 0,01 см 3 по
формуле:
V 
a bl
, см3
1000
3. Взвесить образец с точностью до 0,01 г (m). Влажность
образца W определяют, как указано выше, на двух образцах
размером 20X20X30 мм, из которых один вырезают посередине бруска, другой – со стороны одного из торцов.
4. Вычислить среднюю плотность при данной
влажно-
сти с точностью до 0,01 г/см по формуле:
3
 0W 
m
, г/см3
V
5. Пересчитать значение плотности на 12%-ную влажность
(стандартная влажность для сравнения) с точностью до 0,01
г/ см3.
24
Влажность образца W, %
см3
Масса образца m, г
Объем
образца
a bl
V
1000
высота l
ширина b
Размеры
образца,
мм
толщина a
Материал образца
№ п/п
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ
Средняя
плотность
при
фактической
влажности
m
 0W 
V
г/см3
Средняя
плотность
при
стандарт
ной
влажности
ρ012,
г/см3
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Среднюю плотность древесины с фактической влажностью
пересчитывают на стандартную влажность, принимаемую равной 12% по формуле:
ρ012=ρ0W·[1+0,01·(1-K0)·(12-W)]
где ρ012 – средняя плотность образца древесины при влажности
W=12%;
К0 – коэффициент объемной усушки;
ρ0W – средняя плотность образца древесины при фактической
влажности;
W – влажность образца в момент испытания, %.
Коэффициент объемной усушки Ко в этом случае не определяют, а берут для древесины березы, бука и лиственницы
равным 0,6 и для прочих пород – 0,5.
ВЫВОД: Полученные результаты сравнить с табличными
значениями из приложения 1.
25
Лабораторная работа № 3
Механические свойства древесины
Цель работы: ознакомиться с методами определения прочности древесины. Научиться оценивать правильность полученных результатов.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Прочность древесины (материала волокнистого строения)
имеет большое различие вдоль и поперек волокон (при растяжении вдоль волокон в 20…30 раз, а при сжатии в 3…6 раз больше,
чем поперек волокон). Прочность древесины находиться в прямой зависимости от содержания поздней древесины, пористости,
влажности в пределах 0…30%, направления механических сил
по отношению к расположению волокон, от наличия пороков.
Так как от влажности древесины в значительной мере зависят ее механические свойства, необходимо знать поправочные коэффициенты для пересчета результатов испытания на
одинаковую влажность (по стандарту 12%), которые приведены в ГОСТ16483.10-85 или в приложении 2 данных методических указаний. Для определения влажности пробу вырезают вблизи места разрушения образца; влажность определяют сразу же после механического испытания.
26
1.Определение предела прочности при сжатии
вдоль волокон
Материалы: образцы – призмы (рис.7) из испытуемой древесины
сечением 20х20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм (3 шт.).
Приборы и приспособления: штангенциркуль; электронные
весы; пресс гидравлический с максимальным усилием 50…10
кН; приспособление к испытательной машине (рис.8); влагомер
МГ-4.
Рис. 7. Образец для испытания на сжатие вдоль волокон
Рис. 8. Приспособление к испытательной машине
1– колпачок; 2 – пуансон; 3 – корпус; 4 – шаровая опора;
5 – плита; 6 – образец.
27
Ход работы
1. Измерить поперечное сечение образца (размеры а и b) по
середине высоты образца с точностью до 0,1 мм.
2. Установить образец между шаровой опорой и сжимающим
стержнем с помощью переносного прибора так, чтобы усилие было направлено вдоль волокон образца. Весь прибор с образцом
поместить между сжимающими плоскостями пресса.
3. Равномерно нагружать образец со скоростью 4·10 4 Н/МИН
с отклонением от указанной скорости не более чем на 25% до разрушения образца, т. е. до того момента, когда стрелка манометра будет указывать на уменьшение сопротивляемости образца.
4. После испытания определить влажность с помощью влагомера МГ-4.
5. Определить предел прочности при сжатии вдоль волокон
при влажности W в момент испытания с точностью до 1 Па.
6. Числовое значение σсж(w) пересчитать на 12%-ную влажность с
точностью до 1 Па.
28
Предел прочности при
сжатии вдоль волокон с 12%-ной
влажностью σ 1 2 , МПа
Предел прочности
при сжатии
вдоль волокон
с влажностью
в момент испытания
P
 сж ( w)  м акс
a b
МПа
Расчетная формула σ 1 2
Максимальная нагрузка Рмакс, Н
ширина b
толщина а
Материал образца
№ п/п
Размеры
образца,
мм
Влажность образца в момент испытания W, %
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Предел прочности при сжатии вдоль волокон с влажностью в
момент испытания вычисляют с точностью до 1 Па по формуле:
 сж ( w) 
Pмакс
, МПа
a b
где Рмакс – нагрузка в момент разрушения образца, Н;
а, b – размеры поперечного сечения образца, мм.
Пересчет предела прочности при сжатии вдоль волокон на
стандартную влажность 12% проводится по формулам:
для образцов с влажностью меньше предела гигроскопичности (30%)
σ 1 2 = σ W {l + [α (W - 12)]}
где σ w – предел прочности при сжатии вдоль волокон с влажностью в момент испытания;
29
W – влажность древесины в момент испытания в %.
α – поправочный коэффициент на влажность, показывающий,
на сколько процентов изменяется данное свойство при изменении влажности на 1% и составляет 0,04.
для образцов с влажностью, равной или большей предела
гигроскопичности (30%)
 12 
w
30
К12
где σ w – предел прочности с влажностью W, %, в момент
испытания, МПа;
30
– коэффициент пересчета при влажности 30%, равный:
К12
0,475 – для клена; 0,535 – для вяза шершавого эллиптического и ясеня; 0,550 – для акации, вяза гладкого, листоватого и среднего, дуба, липы и ольхи; 0,450 – для бука, сосны
кедровой и обыкновенной; 0,445 – для граба, груши, ели,
ивы, ореха, осины, пихты и тополя; 0,400 – для березы и
лиственницы.
ВЫВОД:
2. Определение предела прочности при сжатии поперек
волокон
Материалы: образцы – призмы из испытуемой древесины сечением 20х20 мм и высотой вдоль волокон 60 мм (6 шт.).
Приборы и приспособления: штангенциркуль; электронные
весы; пресс гидравлический с максимальным усилием 50…10
30
кН; приспособление к испытательной машине (рис.9); влагомер
МГ-4.
Рис. 9. Приспособление к испытательной машине
1 – индикатор; 2 – корпус; 3 – шток; 4 – подставка;
5 – съемный пуансон; 6 – образец
Ход работы
1. Измерить ширину образца по тангентальному направлению (при радиальном сжатии) или по радиальному направлению (при тангентальном сжатии) с точностью до 0,1 мм. Испытание производится как в радиальном, так и в тангентальном
направлении на отдельных образцах.
2. Образец поместить на нижнюю плоскость пресса и установить индикатор для измерения деформаций образца между плитами пресса. Пресс для испытаний должен иметь самоустанавливающуюся (шаровую) головку.
31
3. Равномерно нагружать образец со средней скоростью
1000 Н/мин с допускаемыми отклонениями ±20%. Во время
нагружения при помощи индикатора измерять деформацию с
точностью до 0,005 мм через каждые 20 кг груза для древесины
мягких пород и 40 кг для твердых. Отсчет необходимо делать, не
прекращая нагружения. Испытание продолжают до явного перехода предела пропорциональности.
4. После испытания определить влажность с помощью влагомера МГ-4.
5. По результатам испытаний построить график зависимости
деформации от нагрузки (см. пример рис. 10).
6. По построенной диаграмме определить с точностью до
0,5 МПа предел пропорциональности как ординату точки перехода прямолинейного участка диаграммы в криволинейный.
7. Вычислить прочность древесины с влажностью W при сжатии поперек волокон σ с ж ( w ) , соответствующую напряжению при
пределе пропорциональности с точностью до 1 Па.
8. Пересчитать прочность
при влажности
влажность с точностью до 1 Па.
32
W на
12%-ную
а
Размеры
образца,
мм
Максимальная нагрузка
Рпр, Н
Влажность образца в момент испытания
W, %
толщина
ширина по тангентальному
направлению b
Материал образца
№ п/п
33
Предел прочности
при сжатии
поперек волокон
с влажностью
в момент
испытания
Pпр
 сж ( w) 
a b
МПа
Предел прочности при сжатии
поперек волокон с 12%-ной
влажностью σ 1 2 , МПа
Рсачетная формула предела прочности при
сжатии с W=12%
Рис. 10. Диаграмма сжатия древесины поперек волокон
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЖУРНАЛЫ:
ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ПРИ РАДИАЛЬНОМ СЖАТИИ
Предел прочности при сжатии
поперек волокон с12%-ной
влажностью σ 1 2 , МПа
МПа
Рсачетная формула предела прочности
при сжатии с W=12%
Предел прочности
при сжатии
поперек волокон с
влажностью
в момент
испытания
Pпр
 сж ( w) 
a b
Максимальная нагрузка Рмакс, Н
толщина а
ширина
по радиальному
направлению b
Материал образца
№ п/п
Размеры
образца,
мм
Влажность образца в момент
испытания W, %
ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ПРИ ТАНГЕНТАЛЬНОМ СЖАТИИ
ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ ДЕФОРМАЦИИ ОТ НАГРУЗКИ:
Нагрузка Р, кг
Деформация
δ, мм
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Предел прочности при сжатии поперек волокон вычисляют с
точностью до 1 Па по формуле:
 сж ( w) 
Pпр
a b
, МПа
где Рпр – нагрузка соответствующая пределу прочности, Н;
а – ширина образца в мм;
b – длина образца в мм.
Пересчет предела прочности при сжатии поперек волокон на
стандартную влажность 12% проводится по формулам:
34
для образцов с влажностью меньше предела гигроскопичности (30%)
σ 1 2 = σ W {l + [α (W - 12)]}
где σ W – предел прочности при сжатии поперек волокон
с влажностью в момент испытания;
W – влажность древесины в момент испытания в %.
α – поправочный коэффициент на влажность, показывающий,
на сколько процентов изменяется данное свойство при изменении влажности на 1% и составляет 0,035.
для образцов с влажностью, равной или большей предела
гигроскопичности (30%)
σ 1 2 = σ W ▪К 1 2
где σ w – предел прочности с влажностью W, %, в момент
испытания, МПа;
К 1 2 – коэффициент пересчета при влажности 30%, принимается 1,67 для лиственных пород в обоих направлениях сжатия и для хвойных пород при радиальном сжатии и 2,46 для
хвойных пород при тангентальном сжатии.
ВЫВОД:
3. Определение прочности при местном сжатии
Материалы: образцы – призмы из испытуемой древесины сечением 20х20 мм и высотой вдоль волокон 60 мм (6 шт.).
Приборы и приспособления: штангенциркуль; электронные
весы; пресс гидравлический с максимальным усилием 50…10
35
кН; приспособление (рис. 11); стальная призма; влагомер МГ-4;
индикатор для измерения деформаций.
Рис. 11. Приспособление для испытания образцов древесины на
местное сжатие.
1 – индикатор; 2 – корпус; 3 – шток; 4 – подставка;
5 – съемный пуансон; 6 – образец.
Ход работы
1. Измерить ширину образца а.
2. Образец поместить в приспособление тангентальной или
радиальной поверхностью кверху в зависимости от вида сжатия.
Установить приспособление с образцом в испытательную машину.
3. Подать нагрузку, отсчитать деформации и построить график зависимости деформации от нагрузки так же, как и при испытании на сжатие поперек волокон.
4. После испытания определить влажность образцов с помощью влагомера МГ-4.
36
5. Вычислить прочность древесины с влажностью W при местном сжатии с точностью до 1 Па.
6. Пересчитать прочность на влажность 12% с точностью до
1 Па.
Предел прочности при местном сжатии
с 12%-ной влажностью
σ 1 2 , МПа
Предел прочности
при местном
сжатии
с влажностью
в момент испытания
Рпр
 см ( w) 
16  а
МПа
Рсачетная формула предела прочности при местном сжатии с W=12%
Общий груз Рпр, кН
Влажность образца в момент испытания W, %
Ширина образца а, мм
Материал образца
№ опыта
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ
ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ ДЕФОРМАЦИИ ОТ НАГРУЗКИ:
Нагрузка Р, кг
Деформация
δ, мм
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Предел прочности при местном сжатии поперек волокон вычисляют с точностью до 1 Па по формуле:
 сж ( w) 
Pпр
16  a
, МПа
где Рпр – нагрузка соответствующая пределу прочности, Н;
37
16 – ширина стальной призмы с учетом закруглений краев в
мм;
а – ширина образца в мм.
Пересчет предела прочности при местном сжатии поперек
волокон на стандартную влажность 12% проводится по формулам:
для образцов с влажностью меньше предела гигроскопичности (30%)
σ 1 2 = σ W {l + [α (W - 12)]}
где σ W – предел прочности при местном сжатии поперек
волокон с влажностью в момент испытания ;
W – влажность древесины в момент испытания в %.
α – поправочный коэффициент на влажность, показывающий,
на сколько процентов изменяется данное свойство при изменении влажности на 1% и составляет 0,035.
для образцов с влажностью, равной или большей предела
гигроскопичности (30%)
σ 1 2 = σ W ▪К 1 2
где σ w – предел прочности с влажностью W, %, в момент
испытания, МПа;
К 1 2 – коэффициент пересчета при влажности 30%, принимается 1,67 для лиственных пород в обоих направлениях сжатия и для хвойных пород при радиальном сжатии и 2,46 для
хвойных пород при тангентальном сжатии.
ВЫВОД:
38
4. Определение предела прочности при статическом
изгибе
Материалы: образцы из испытуемой древесины в форме бруска
размером 20х20х300 мм (3 шт.).
Приборы и приспособления: штангенциркуль; электронные
весы; пресс гидравлический с максимальным усилием 50…10
кН; приспособление к испытательной машине; влагомер МГ-4;
индикатор для измерения деформаций.
Ход работы
1. Расположить образец на опорах прибора таким образом,
чтобы изгибающее усилие было направлено по касательной к годовым слоям (тангентальный изгиб). Нагрузка передается в двух
или одной точке (рис.12).
Рис. 12. Схемы испытания древесины на статический изгиб.
а – при нагружении в двух точках на одной трети расстояния между опорами; б – при нагружении в одной точке посередине расстояния между опорами.
2. Приспособление с образцом установить на прессе и
нагружать со средней скоростью 5·103 Н/мин с
допустимыми
отклонениями ±20% до полного излома образца. По шкале манометра отсчитать максимальную нагрузку Рмакс с точностью до
цены деления шкалы силоизмерителя.
39
3. После испытания определить влажность образцов с помощью влагомера МГ-4.
4. Вычислить предел прочности при статическом изгибе σизг(w)
при влажности образца в момент испытания W с точностью до
1 Па.
5. Пересчитать предел прочности при статическом изгибе на
12%-ную влажность с точностью до 1 Па.
Предел прочности при статическом изгибе с 12%-ной влажностью
σ и з г ( 1 2 ) , МПа
Расчетная формула σ и з г ( 1 2 )
Предел прочности при статическом изгибе с влажностью в момент испытания
σ и з г ( w ) , МПа
Расчетная формула σ и з г ( w )
Влажность образца в момент
испытания W, %
Разрушающая нагрузка Рмакс, Н
высота h
ширина b
Материал образца
№ опыта
Размеры
образца,
мм
Расстояние между опорами l, мм
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Предел прочности при статическом изгибе σизг(w) с влажностью образца в момент испытания W вычисляется с точностью до
1 Па по формулам:
при нагружении в двух точках
 изг ( w) 
Р макс  l
b  h2
40
, МПа
при нагружении в одной точке
 изг ( w) 
3Р макс  l
2  b  h2
, МПа
где Рмакс – разрушающая нагрузка в Н;
l – расстояние между опорами в мм;
b – ширина образца, мм;
h – высота образца в мм.
Пересчет предела прочности при статическом изгибе на
стандартную влажность 12% проводится по формулам:
для образцов с влажностью меньше предела гигроскопичности (30%)
σ 1 2 = σ W {l + [α (W - 12)]}
где σ W – предел прочности при сжатии поперек волокон
с влажностью в момент испытания;
W – влажность древесины в момент испытания в %.
α – поправочный коэффициент на влажность, показывающий,
на сколько процентов изменяется данное свойство при изменении влажности на 1% и составляет 0,04.
для образцов с влажностью, равной или большей предела гигроскопичности (30%)
σ 1 2 = σ W ▪К
где σ w – предел прочности с влажностью W, %, в момент
испытания, МПа;
К – коэффициент пересчета при влажности 30%, принимается 1,54 для клена; 1,62 – для акации, вяза, дуба, липы, ясеня;
41
1,72 – для бука, груши, ивы, сосны кедровой и обыкновенной, пихты и тополя; 1,83 – для березы, граба, ели, лиственницы, ореха.
ВЫВОД:
5. Определение предела прочности при скалывании
вдоль волокон
Материалы: образцы из испытуемой древесины (3 шт.) (рис. 13.).
Приборы и приспособления: штангенциркуль; лабораторные
весы; пресс гидравлический с максимальным усилием 50…10
кН; приспособление (см. рис. 14.); влагомер МГ-4; индикатор
для измерения деформаций.
Ход работы
1. Измерить размеры b и h измеряют штангенциркулем с точностью до 0,1 мм с двух сторон образца и затем вычислить среднеарифметическое для каждой пары полученных величин.
2. Установить образец в приспособление так, чтобы вертикальная поверхность длинной части образца плотно прилегала
к опорной стенке прибора, а вертикальная и горизонтальная
плоскости нижнего выреза на образце – к поверхности подвижной планки прибора, которую перемещают установочным
винтом. Плотно зажимать образец установочным винтом не
допускается.
42
3. Собранное приспособление с образцом установить на опорную плиту пресса и приступить к испытанию.
4. Снять значение максимальной нагрузки в момент разрушения
образца Рмакс, Н.
Рис. 13. Образцы для испытания древесины на скалывание вдоль
волокон:
а – скалывание по тангентальной плоскости; б – скалывание по
радиальной плоскости.
Рис. 14. Приспособление для испытания древесины на скалывание
вдоль волокон
1 – корпус; 2 – пружина; 3 – подвижная планка; 4 – ролики;
5 – нажимная призма с шаровой опорой; 6 – образец; 7 – подвижная
опора; 8 – устройство для прижима подвижной опоры.
43
5. После испытания определить влажность образцов с помощью
влагомера МГ-4.
6. Вычислить предел прочности при скалывании σск(w) с влажностью образца в момент испытания W с точностью до 1 Па.
7. Пересчитать предел прочности при изгибе на 12%-ную влажность с точностью до 1 Па.
Максимальная нагрузка Рмакс, Н
толщина а
ширина
по радиальному
направлению b
Материал образца
№ п/п
Размеры
образца,
мм
Влажность образца в момент
испытания W, %
ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ
Предел прочности
при скалывании
вдоль волокон
с влажностью
в момент
испытания
P
 сж ( w)  м акс
a b
Предел
прочности
при скалывании
вдоль волокон
с 12%-ной
влажностью
σ 1 2 , МПа
МПа
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Предел прочности при скалывании вдоль волокон σск(w) при
влажности образца в момент испытания W вычисляется с точностью до 1 Па по формуле:
 ск ( w) 
Pм акс
a b
где Р макс – максимальная нагрузка в Н;
44
b – толщина образца в мм;
h – высота площадки скалывания в мм.
Пересчет предела прочности при скалывании вдоль волокон
на стандартную влажность 12% проводится по формулам:
для образцов с влажностью меньше предела гигроскопичности (30%)
σ 1 2 = σ W {l + [α (W - 12)]}
где σ W – предел прочности при скалывании вдоль вол окон с влажностью в момент испытания ;
W – влажность древесины в момент испытания в %.
α – поправочный коэффициент на влажность, показывающий,
на сколько процентов изменяется данное свойство при изменении влажности на 1% и составляет 0,03 для всех пород.
для образцов с влажностью, равной или большей предела
гигроскопичности (30%)
 12 
w
30
К12
где σ w – предел прочности с влажностью W, %, в момент
испытания, МПа;
30
– коэффициент пересчета при влажности 30%, равный
К12
0,730 – для акации, вяза и дуба; 0,535 – для березы и ореха;
0,610 – для бука, груши, сосны кедровой и обыкновенной,
ели и лиственницы; 0,570 – для граба, ивы, осины и тополя;
0,650 – для клена, липы, ольхи, пихты и ясеня.
ВЫВОД:
45
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите основные достоинства и недостатки материалов из древесины.
2. По каким параметрам оценивается качество древесины?
3. Перечислите признаки, относящиеся к основным и вспомогательным.
4. Что называют пределом насыщения древесины?
5. С какой целью все физические и механические свойства
древесины, полученные экспериментальным путем, пересчитывают на 12 % влажность? Приведите основные формулы для
пересчета физических и механических свойств.
6. Отчего зависят физические и механические свойства древесины?
7. Изобразите кривую зависимости физических и механических свойств древесины от влажности и температуры нагревания, объясните ее смысл.
8. Объясните зависимость физико-механических свойств
древесины от числа годовых слоев и содержания поздней древесины.
9. Перечислите основные физические свойства древесины и
назовите их числовые значения.
10. Перечислите механические свойства древесины и назовите их числовые значения для одной лиственной и одной хвойной породы дерева.
46
11. Кратко изложите методику определения влажности и
средней плотности древесины.
12. Кратко изложите методику определения предела прочности при сжатии древесины вдоль волокон.
13. Кратко изложите методику определения предела прочности при сжатии древесины поперек волокон.
14. Кратко изложите методику определения предела прочности при местном сжатии.
15. Приведите две схемы испытания древесины на статический изгиб и расчетные формулы к ним.
16. Нарисуйте общий вид образцов для каждого вида испытаний.
17. Что называют пороками древесины? Изобразите схему
классификации пороков древесины.
18. Перечислите пороки, зависящие от неправильного строения древесины, и дайте определение каждому из них.
19. Определите степень влияния пороков древесины на ее
физические и механические свойства и область применения.
20. Перечислите пороки, связанные с поражением насекомыми и дайте характеристику каждому из них.
21. Перечислите способы защиты древесины от горения,
гниения и поражения насекомыми.
47
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волков М.И. Методы испытания строительных материалов. Учебное пособие для вузов. – М.: Стройиздат,
1974. – 301 с.
2. Попов Л.Н., Попов Н.Л. Лабораторные работы по дисциплине «Строительные материалы и изделия»: Учеб.
пособие. – М.: ИНФРА-М, 2003. – 219 с.
3. Строительные материалы и изделия: Учеб. / К.Н. Попов,
М.Б. Каддо. – М.: Высш. шк., 2002. – 367 с.
4. Строительное материаловедение: Учеб. пособие для
строит. спец. вузов / И.А. Рыбьев. – М.: Высш. шк.,
2003. – 701 с.
5. ГОСТ 16483.11-72. Древесина. Метод определения предела прочности при сжатии поперек волокон/Госстрой
СССР.-М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1985.-16 с.
6. ГОСТ 16483.5-72. Древесина. Метод определения предела прочности при скалывании вдоль волокон волокон/Госстрой СССР.-М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1987.-20
с.
7. ГОСТ 16483.2-70. Древесина. Метод определения предела прочности при местном смятии поперек волокон/Госстрой СССР.-М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1985.-24
с.
48
8. ГОСТ 16483.10-73. Древесина. Метод определения предела прочности при сжатии вдоль волокон/Госстрой
СССР.-М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1985.-24 с.
49
50
-
420
690
600
670
495
520
495
Дуб
Береза
Бук
Липа
Ольха
Осина
0,43
0,54
0,47
0,49
0,43
0,41
0,43
0,52
0,39
0,44
растяжении
сжатии
42,0
44,5
64,5
39,0
48,5
123,0
168,0
123,0
121,0
101,0
125,5
57,5
55,0
55,5
45,5
44,0
42,5
Лиственные породы
78,0
103,0
125
67,0
103,5
10,2
9,3
11,6
8,6
8,1
6,3
6,7
6,9
9,9
6,4
7,5
скалывании
радиальном
вдоль волокон при
7,8
6,7
8,0
3,7
2,9
3,3
4,6
3,1
3,6
сжатии
радаальном
107,5
109,5
108,5
88,0
80,5
78,0
78,0
79,5
111,5
68,5
86,0
статическом изгибе
поперек волокон при
Предел прочности, МПа
Хвойные породы
Коэф.
объем
ной
усушки,
%
445
660
375
500
Средняя
плот
ность,
кг/м3
Сосна
обыкновенная
Ель
Лиственница
Пихта сибирская
Кедр
Порода дерева
Приложение 1